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El cable conductor de aluminio reforzado con acero ( ACSR ) es un tipo de conductor trenzado de alta capacidad y alta resistencia que se utiliza típicamente en líneas eléctricas aéreas . Los hilos exteriores son de aluminio de alta pureza , elegidos por su buena conductividad, bajo peso, bajo costo, resistencia a la corrosión y buena resistencia a la tensión mecánica. El hilo central es de acero para mayor resistencia y ayudar a soportar el peso del conductor. El acero tiene mayor resistencia que el aluminio, lo que permite aplicar una mayor tensión mecánica al conductor. El acero también tiene una menor deformación elástica e inelástica (alargamiento permanente) debido a cargas mecánicas (por ejemplo, viento y hielo), así como un menor coeficiente de expansión térmica bajo carga actual . Estas propiedades permiten que el ACSR se combe significativamente menos que los conductores totalmente de aluminio. Según la convención de nomenclatura de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Grupo CSA (anteriormente Asociación Canadiense de Estándares o CSA), ACSR se designa como A1/S1A. [1]
La aleación de aluminio y el temple utilizados para los cordones exteriores en los Estados Unidos y Canadá son normalmente 1350-H19 y en otros lugares son 1370-H19, cada uno con un contenido de aluminio superior al 99,5%. El temple del aluminio viene definido por el sufijo de la versión aluminio, que en el caso del H19 es extra duro. Para prolongar la vida útil de los hilos de acero utilizados para el núcleo del conductor, normalmente se galvanizan o se recubren con otro material para evitar la corrosión. Los diámetros de los hilos utilizados tanto para los hilos de aluminio como para los de acero varían para los diferentes conductores ACSR.
El cable ACSR todavía depende de la resistencia a la tracción del aluminio; sólo está reforzado por el acero. Debido a esto, su temperatura de funcionamiento continuo está limitada a 75 °C (167 °F), temperatura a la que el aluminio comienza a recocerse y ablandarse con el tiempo. [2] Para situaciones en las que se requieren temperaturas de funcionamiento más altas, se puede utilizar conductor de aluminio con soporte de acero ( ACSS ).
El núcleo de acero estándar utilizado para ACSR es acero galvanizado, pero con zinc, aleación de aluminio al 5% o 10% y acero recubierto con trazas de metal (a veces llamado por los nombres comerciales Bezinal o Galfan ) y acero revestido de aluminio (a veces llamado por el nombre comercial). nombre Alumoweld) también están disponibles. También se puede utilizar acero de mayor resistencia.
En los Estados Unidos, el acero más comúnmente utilizado se denomina GA2 para acero galvanizado (G) con espesor de recubrimiento de zinc de clase A (A) y resistencia regular (2). Los recubrimientos de zinc de clase C son más gruesos que los de clase A y brindan una mayor protección contra la corrosión a expensas de una menor resistencia a la tracción. Un núcleo de acero galvanizado de resistencia regular con un espesor de revestimiento de Clase C se denominaría GC2. Los grados de acero de mayor resistencia se denominan alta resistencia (3), extra alta resistencia (4) y ultra alta resistencia (5). Un núcleo de acero galvanizado de ultra alta resistencia con un espesor de revestimiento de clase A se denominaría GA5. El uso de núcleos de acero de mayor resistencia aumenta la resistencia a la tracción del conductor, lo que permite tensiones más altas, lo que resulta en una menor flexión.
Los recubrimientos mischmetal de zinc-5% aluminio se designan con una "M". Estos recubrimientos brindan mayor protección contra la corrosión y resistencia al calor en comparación con el zinc solo. El acero de resistencia regular recubierto con peso y espesor de metal mixto de clase "A" de resistencia regular se denominaría MA2.
El acero revestido de aluminio se denomina "AW". El acero revestido de aluminio ofrece mayor protección contra la corrosión y conductividad a expensas de una menor resistencia a la tracción. El acero revestido de aluminio se especifica comúnmente para aplicaciones costeras.
IEC y CSA utilizan una convención de nomenclatura diferente. El acero más utilizado es el S1A para acero de resistencia regular S1 con un revestimiento de clase A. El acero S1 tiene una resistencia a la tracción ligeramente menor que el acero de resistencia normal utilizado en los Estados Unidos. Según las normas canadienses CSA, el grado de resistencia S2A se clasifica como acero de alta resistencia. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA2 y se denomina acero de resistencia regular. El grado de resistencia CSA S3A está clasificado como acero de resistencia extra alta. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA3 denominado Alta Resistencia. Los estándares actuales de la CSA para conductores eléctricos aéreos aún no reconocen oficialmente los grados GA4 o GA5 equivalentes de ASTM. Las normas CSA actuales aún no reconocen oficialmente la familia ASTM "M" de materiales de revestimiento de aleación de zinc. Las empresas de servicios públicos canadienses están utilizando conductores construidos con aceros de mayor resistencia con revestimiento de aleación de zinc "M".
La colocación del conductor está determinada por cuatro dedos extendidos; La dirección "derecha" o "izquierda" de la colocación se determina dependiendo de si coincide con la dirección de los dedos de la mano derecha o izquierda, respectivamente. Los conductores aéreos de aluminio (AAC, AAAC, ACAR) y ACSR en EE. UU. siempre se fabrican con la capa conductora exterior tendida a la derecha. Yendo hacia el centro, cada capa tiene capas alternas. Algunos tipos de conductores (p. ej. conductor aéreo de cobre, OPGW , EHS de acero) son diferentes y tienen un conductor exterior tendido hacia la izquierda. Algunos países de América del Sur especifican un tendido hacia la izquierda para la capa conductora exterior de su ACSR, por lo que están enrollados de manera diferente a los que se usan en los EE. UU.
Los conductores ACSR están disponibles en numerosos tamaños específicos, con alambres de acero centrales simples o múltiples y, generalmente, cantidades mayores de hilos de aluminio. Aunque rara vez se utilizan, hay algunos conductores que tienen más hilos de acero que de aluminio. Un conductor ACSR puede denotarse en parte por su trenzado, por ejemplo, un conductor ACSR con 72 hilos de aluminio con un núcleo de 7 hilos de acero se denominará conductor ACSR 72/7. [3] [4] [5] Los cables generalmente varían desde #6 AWG ("6/1" – seis conductores exteriores de aluminio y un conductor de refuerzo de acero) hasta 2167 kcmil ("72/7" – setenta y dos conductores exteriores de aluminio y siete conductores de refuerzo de acero).
Para ayudar a evitar confusiones debido a las numerosas combinaciones de cableado de los cordones de acero y aluminio, se utilizan palabras clave para especificar una versión de conductor específica. En América del Norte se utilizan nombres de aves para las palabras clave, mientras que en otros lugares se utilizan nombres de animales. Por ejemplo, en América del Norte, Grosbeak es unConductor ACSR de 322,3 mm 2 (636 kcmil) con trenzado de aluminio/acero 26/7, mientras que Egret tiene el mismo tamaño total de aluminio (322,3 mm 2 , conductor de 636 kcmil) pero con cableado de aluminio/acero 30/19. Aunque la cantidad de hebras de aluminio es diferente entre Grosbeak y Egret, se utilizan diferentes tamaños de hebras de aluminio para compensar el cambio en la cantidad de hebras de modo que la cantidad total de aluminio siga siendo la misma. Las diferencias en el número de cordones de acero dan como resultado pesos variables de la porción de acero y también dan como resultado diferentes diámetros generales del conductor. La mayoría de las empresas de servicios públicos estandarizan una versión de conductor específica cuando hay varias versiones de la misma cantidad de aluminio para evitar problemas relacionados con hardware de diferentes tamaños (como empalmes). Debido a los numerosos tamaños diferentes disponibles, las empresas de servicios públicos a menudo omiten algunos de los tamaños para reducir su inventario. Las distintas versiones de cableado dan lugar a diferentes características eléctricas y mecánicas.
Los fabricantes de ACSR suelen proporcionar tablas de ampacidad para un conjunto definido de suposiciones. Las empresas de servicios públicos individuales normalmente aplican diferentes clasificaciones debido al uso de diferentes suposiciones (lo que puede resultar en clasificaciones de amperaje más altas o más bajas que las que proporcionan los fabricantes). Las variables importantes incluyen la velocidad y dirección del viento en relación con el conductor, la intensidad del sol, la emisividad, la temperatura ambiente y la temperatura máxima del conductor.
En la distribución de energía eléctrica trifásica , los conductores deben diseñarse para tener una impedancia eléctrica baja para garantizar que la potencia perdida en la distribución de energía sea mínima. La impedancia es una combinación de dos cantidades: resistencia y reactancia. El fabricante tabula las resistencias de los conductores ASCR para diferentes diseños de conductores a frecuencia de CC y CA, suponiendo temperaturas de funcionamiento específicas. Las razones por las que la resistencia cambia con la frecuencia se deben en gran medida al efecto piel , el efecto de proximidad y la pérdida de histéresis . Dependiendo de la geometría del conductor, diferenciada por el nombre del conductor, estos fenómenos tienen distintos grados de efecto en la resistencia general del conductor a frecuencia CA o CC.
A menudo no se tabula con los conductores ACSR la reactancia eléctrica del conductor, que se debe en gran medida al espacio entre los otros conductores que transportan corriente y el radio del conductor. La reactancia del conductor contribuye significativamente a la corriente general que necesita viajar a través de la línea y, por lo tanto, contribuye a las pérdidas resistivas en la línea. Para obtener más información sobre la inductancia y capacitancia de las líneas de transmisión, consulte Transmisión de energía eléctrica y líneas eléctricas aéreas .
El efecto piel disminuye el área de la sección transversal en la que la corriente viaja a través del conductor a medida que aumenta la frecuencia de CA. Para la corriente alterna, la mayor parte (63%) de la corriente eléctrica fluye entre la superficie y la profundidad de la piel, δ, que depende de la frecuencia de la corriente y de las propiedades eléctricas (conductividad) y magnéticas del conductor. Esta disminución del área hace que la resistencia aumente debido a la relación inversa entre la resistencia y el área de la sección transversal del conductor. El efecto piel beneficia el diseño, ya que hace que la corriente se concentre hacia el aluminio de baja resistividad en el exterior del conductor. Para ilustrar el impacto del efecto piel, la norma de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) incluye la conductividad del núcleo de acero al calcular la resistencia CC y CA del conductor, pero las normas IEC y CSA Group no lo hacen.
En un conductor (ACSR y otros tipos) que transporta corriente alterna, si las corrientes fluyen a través de uno o más conductores cercanos, la distribución de corriente dentro de cada conductor se limitará a regiones más pequeñas. El hacinamiento actual resultante se denomina efecto de proximidad. Este hacinamiento da un aumento en la resistencia CA efectiva del circuito, siendo el efecto a 60 Hercios mayor que a 50 Hercios. La geometría, la conductividad y la frecuencia son factores que determinan la cantidad del efecto de proximidad.
El efecto de proximidad es el resultado de un campo magnético cambiante que influye en la distribución de una corriente eléctrica que fluye dentro de un conductor eléctrico debido a la inducción electromagnética. Cuando una corriente alterna (CA) fluye a través de un conductor aislado, crea un campo magnético alterno asociado a su alrededor. El campo magnético alterno induce corrientes parásitas en conductores adyacentes, alterando la distribución general de la corriente que fluye a través de ellos.
El resultado es que la corriente se concentra en las zonas del conductor más alejadas de los conductores cercanos que transportan corriente en la misma dirección.
La histéresis en un conductor ACSR se debe a que los dipolos atómicos en el núcleo de acero cambian de dirección debido a la inducción de la corriente CA de 60 o 50 Hertz en el conductor. Las pérdidas por histéresis en ACSR no son deseables y pueden minimizarse utilizando un número par de capas de aluminio en el conductor. Debido al efecto de cancelación del campo magnético de los conductores opuestos (derecho e izquierdo) para dos capas de aluminio, hay una pérdida de histéresis significativamente menor en el núcleo de acero que la que habría para una o tres capas de aluminio donde el campo magnético El campo no se cancela.
El efecto de histéresis es insignificante en conductores ACSR con un número par de capas de aluminio, por lo que no se considera en estos casos. Sin embargo, para conductores ACSR con un número impar de capas de aluminio, se utiliza un factor de magnetización para calcular con precisión la resistencia de CA. El método de corrección para ACSR de una sola capa es diferente al utilizado para conductores de tres capas. Debido a la aplicación del factor de magnetización, un conductor con un número impar de capas tiene una resistencia CA ligeramente mayor que un conductor equivalente con un número par de capas.
Debido a las mayores pérdidas por histéresis en el acero y al calentamiento asociado del núcleo, un diseño de capas impares tendrá una clasificación de ampacidad más baja (hasta una reducción del 10%) que un diseño equivalente de capas pares.
Todos los conductores ACSR estándar más pequeños que Partridge (135,2 mm 2 {266,8 kcmil} 26/7 Aluminio/Acero) tienen una sola capa debido a sus pequeños diámetros por lo que no se pueden evitar las pérdidas por histéresis.
ACSR se utiliza ampliamente debido a su diseño eficiente y económico. En algunos casos se utilizan variaciones del ACSR estándar (a veces llamado tradicional o convencional) debido a las propiedades especiales que ofrecen, que brindan ventajas suficientes para justificar su gasto adicional. Los conductores especiales pueden ser más económicos, ofrecer mayor confiabilidad o proporcionar una solución única a un problema de diseño que de otro modo sería difícil o imposible.
Los principales tipos de conductores especiales incluyen el "conductor de alambre trapezoidal" (TW), un conductor que tiene hilos de aluminio con forma trapezoidal en lugar de redonda) y el "autoamortiguador" (SD), a veces llamado "conductor autoamortiguador" (SDC). . También está disponible un conductor similar de mayor temperatura hecho de aluminio recocido que se denomina "conductor de aluminio con soporte de acero" (ACSS). [6]
Se puede utilizar alambre de forma trapezoidal (TW) en lugar de alambre redondo para "rellenar los espacios" y tener un diámetro total entre un 10 y un 15 % más pequeño para la misma área de sección transversal o un diámetro entre un 20 y un 25 % más grande. área seccional para el mismo diámetro total.
Ontario Hydro (Hydro One) introdujo diseños de conductores ACSR de alambre de forma trapezoidal en la década de 1980 para reemplazar los diseños ACSR de alambre redondo existentes (los llamaron conductores compactos; estos tipos de conductores ahora se llaman ACSR/TW). Los diseños de alambre de forma trapezoidal (TW) de Ontario Hydro usaban el mismo núcleo de acero pero aumentaban el contenido de aluminio del conductor para que coincidiera con el diámetro total de los diseños anteriores de alambre redondo (luego podían usar los mismos accesorios de hardware tanto para el redondo como para el conductores TW). Los diseños de Hydro One para sus conductores trapezoidales ACSR/TW solo utilizan números pares de capas de aluminio (ya sea dos capas o cuatro capas). No utilizan diseños que tengan un número impar de capas (tres capas) debido a que ese diseño incurre en mayores pérdidas por histéresis en el núcleo de acero. También en la década de 1980, Bonneville Power Administration (BPA) introdujo diseños TW en los que se aumentaba el tamaño del núcleo de acero para mantener la misma relación aluminio/acero.
La autoamortiguación (ACSR/SD) es una tecnología de conductores casi obsoleta y rara vez se utiliza en instalaciones nuevas. Es un conductor autoamortiguador trenzado de disposición concéntrica diseñado para controlar la vibración inducida por el viento ( tipo eólico ) en líneas de transmisión aéreas mediante amortiguación interna. Los conductores autoamortiguadores constan de un núcleo central de uno o más alambres de acero redondos rodeados por dos capas de alambres de aluminio de forma trapezoidal. Se pueden agregar una o más capas de alambres redondos de aluminio según sea necesario.
El conductor SD se diferencia del ACSR convencional en que los alambres de aluminio en las dos primeras capas tienen forma trapezoidal y están dimensionados para que cada capa de aluminio forme un tubo trenzado que no colapsa sobre la capa inferior cuando está bajo tensión, pero mantiene un pequeño espacio anular entre las capas. . Las capas de alambre trapezoidal están separadas entre sí y del núcleo de acero por dos espacios anulares más pequeños que permiten el movimiento entre las capas. Las capas de alambre de aluminio redondo están en estrecho contacto entre sí y con la capa de alambre trapezoidal subyacente.
Bajo vibración, el núcleo de acero y las capas de aluminio vibran con diferentes frecuencias y producen resultados de amortiguación. Esta amortiguación de impacto es suficiente para mantener cualquier vibración eólica a un nivel bajo. El uso de hilos trapezoidales también da como resultado un diámetro reducido del conductor para una resistencia de CA determinada por milla.
Las principales ventajas de ACSR/SD son:
Las principales desventajas de ACSR/SD son:
El conductor con soporte de acero y conductor de aluminio (ACSS) parece visualmente similar al ACSR estándar, pero los hilos de aluminio están completamente recocidos. El recocido de los hilos de aluminio reduce la resistencia del conductor compuesto, pero después de la instalación, el alargamiento permanente de los hilos de aluminio da como resultado que un porcentaje mucho mayor de la tensión del conductor se transporte en el núcleo de acero que el ACSR estándar. Esto, a su vez, produce un alargamiento térmico reducido del compuesto y una mayor autoamortiguación.
Las principales ventajas de ACSS son:
Las principales desventajas de ACSS son:
El conductor de par trenzado (TP) (a veces llamado con los nombres comerciales T-2 o VR) tiene los dos subconductores trenzados (generalmente con un tendido hacia la izquierda) uno alrededor del otro, generalmente con una longitud de tendido de aproximadamente tres metros (nueve pies). [7] [ verificación fallida ] [6]
La sección transversal del conductor del TP es un "8" giratorio. Los subconductores pueden ser cualquier tipo de conductor ACSR estándar, pero los conductores deben coincidir entre sí para proporcionar equilibrio mecánico.
Las principales ventajas del conductor TP son:
Las principales desventajas del conductor TP son:
Muchos circuitos eléctricos son más largos que la longitud del conductor que puede contener un carrete. Como resultado, a menudo es necesario realizar empalmes para unir conductores y proporcionar la longitud deseada. Es importante que el empalme no sea el eslabón débil. Un empalme (unión) debe tener una alta resistencia física junto con una alta clasificación de corriente eléctrica. Dentro de las limitaciones del equipo utilizado para instalar el conductor desde los carretes, generalmente se compra una longitud de conductor suficiente para que el carrete pueda acomodarse para evitar más empalmes de los absolutamente necesarios.
Los empalmes están diseñados para funcionar a menor temperatura que el conductor. La temperatura del empalme se mantiene más baja al tener un área de sección transversal más grande y, por lo tanto, menos resistencia eléctrica que el conductor. El calor generado en el empalme también se disipa más rápido debido al mayor diámetro del empalme.
Las fallas de los empalmes son motivo de preocupación, ya que la falla de un solo empalme puede causar un corte que afecte una gran cantidad de carga eléctrica.
La mayoría de los empalmes son empalmes de tipo compresión ( engarzados ). Estos empalmes son económicos y tienen buenas características de resistencia y conductividad.
Algunos empalmes, llamados automáticos, utilizan un diseño de tipo mandíbula que es más rápido de instalar (no requiere equipo de compresión pesado) y se utilizan a menudo durante la restauración de tormentas cuando la velocidad de instalación es más importante que el rendimiento a largo plazo del empalme.
Las causas de las fallas en los empalmes son numerosas. Algunos de los principales modos de falla están relacionados con problemas de instalación, tales como: limpieza insuficiente (cepillo de alambre) del conductor para eliminar la capa de óxido de aluminio (que tiene una alta resistencia {es un mal conductor eléctrico}), aplicación inadecuada de grasa conductora , fuerza de compresión inadecuada, ubicaciones de compresión inadecuadas o número de compresiones.
Las fallas en los empalmes también pueden deberse a daños por vibraciones eólicas, ya que las pequeñas vibraciones del conductor con el tiempo causan daños (roturas) de los hilos de aluminio cerca de los extremos del empalme.
En los conductores tipo SD se requieren empalmes especiales (empalmes de dos piezas) ya que el espacio entre la capa de aluminio trapezoidal y el núcleo de acero impide que la fuerza de compresión sobre el empalme con el núcleo de acero sea la adecuada. Un diseño de dos piezas tiene un empalme para el núcleo de acero y un empalme más largo y de mayor diámetro para la porción de aluminio. El empalme exterior debe enroscarse primero y deslizarse a lo largo del conductor y el empalme de acero se debe comprimir primero y luego el empalme exterior se desliza hacia atrás sobre el empalme más pequeño y luego se comprime. Este complicado proceso puede resultar fácilmente en un empalme deficiente. [8]
Los empalmes también pueden fallar parcialmente, donde tienen una resistencia mayor a la esperada, generalmente después de algún tiempo en el campo. Estos se pueden detectar mediante cámaras térmicas, sondas térmicas y mediciones directas de resistencia, incluso cuando la línea está energizada. Dichos empalmes generalmente requieren reemplazo, ya sea en línea desenergizada, haciendo un bypass temporal para reemplazarlo, o agregando un empalme grande sobre el empalme existente, sin desconectar.
Cuando ACSR es nuevo, el aluminio tiene una superficie brillante que tiene una baja emisividad para la radiación de calor y una baja absorción de luz solar. A medida que el conductor envejece, el color se vuelve gris opaco debido a la reacción de oxidación de los hilos de aluminio. En entornos con alta contaminación, el color puede volverse casi negro después de muchos años de exposición a los elementos y productos químicos. En el caso de conductores envejecidos, aumenta la emisividad de la radiación térmica y la absorción de la luz solar. Se encuentran disponibles recubrimientos conductores que tienen una alta emisividad para una alta radiación de calor y una baja absorción de luz solar. Estos recubrimientos se aplicarían al conductor nuevo durante la fabricación. Estos tipos de recubrimientos tienen la capacidad de aumentar potencialmente la clasificación actual del conductor ACSR. Para la misma cantidad de amperaje, la temperatura del mismo conductor será menor debido a la mejor disipación de calor del recubrimiento de mayor emisividad. [9]
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